Die Rolle und Funktion von Verbindungsstangen in Verbrennungsmotoren

 

Verbindungsstangen sind kritische Tragkomponenten in Verbrennungsmotoren und dienen als mechanische Verbindung zwischen Kolben und Kurbelwellen. Ihr Design und ihre Leistung beeinflussen direkt den Motoreffizienz, die Haltbarkeit und die Leistung. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Analyse ihrer Funktionalität, Materialauswahl und technische Überlegungen.

 

Kernfunktion: Kraftübertragung und Bewegungskonvertierung

In seinem Kern, a Verbindung Rod Erleichtert zwei primäre mechanische Prozesse:

Kraftübertragung: Während des Verbrennungsstugs drücken Hochdruckgase (bis zu 10 - 15 MPa) den Kolben nach unten und erzeugen lineare Kraft. Die Verbindungstange überträgt diese Kraft an die Kurbelwelle der Kurbelwelle und wandelt sie in eine Drehmoment-Rotationskraft um, die die Ausgangswelle des Motors antreibt.

Bewegungsumwandlung: Die Stange wandelt die Wechselbewegung des Kolbens (oben und unten) in die Drehbewegung der Kurbelwelle um. Diese Umwandlung wird durch kinematische Prinzipien geregelt: Wenn der Kolben den oberen Totenzentrum (TDC) und den unteren Totenzentrum (BDC) erreicht, ändert sich der Winkel der Stange in Bezug auf die Kurbelwelle, wodurch die lineare Verschiebung in die Winkelgeschwindigkeit übersetzt wird.

Über diese Rollen hinaus müssen Verbindungsstangen eine präzise Ausrichtung zwischen Kolben - und Zylinderbohrung aufrechterhalten und die seitlichen Kräfte, die den Zylinderwandverschleiß verursachen, minimieren. Sie dämpfen auch vorübergehende Vibrationen von Verbrennungsimpulsen und reduzieren die Belastung an benachbarten Komponenten wie Lagern und Dichtungen.

 

Materialauswahl: Ausgleich von Stärke, Gewicht und Kosten

Anbindungsstangen arbeiten unter extremen zyklischen Lastspannung während des Einnahmestugs, Kompression während des Kompressionsstugs und Biegungskräften aus der außerachsmäßigen Kolbenbewegung. Die Materialauswahl ist daher so ausgelegt, dass sie Müdigkeit, Aufprall und hohen Temperaturen (bis zu 250 ° C im Motorblock) widerstehen kann.

Hochfesten Stahl: Die häufigste Wahl, mit Legierungen wie 4340 (Chrom-Molybdän - Stahl) oder HSLA (High-Strength Low-Alloy - Stahl) bietet Zugfestigkeit von 1.000 - 1.400 MPa und ausgezeichnete Müdigkeit. Diese Legierungen balancieren Kosten, Bearbeitbarkeit und Haltbarkeit, wodurch sie ideal für Mainstream-Automotive und Industriemotoren sind.

Titanium-Legierungen: In Hochleistungsanwendungen (Rennsport, Luft - und Raumfahrt) bieten Legierungen wie Ti - 6Al - 4V ein überlegenes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht (spezifische Festigkeit ~ 250 kN · m / kg vs. ~ 150 kN · m / kg für Stahl). Dies reduziert die wechselnde Masse, senkt Trägheitskräfte und verbessert die Reaktionsfähigkeit des Motors. Hohe Material - und Herstellungskosten beschränken jedoch ihre Verwendung auf Nischenmärkte.

Aluminium-Legierung: Legierungen wie 2618 - T6 (Aluminium-Kupfer) sind leichter als Stahl, opfern aber die Ermüdungsfestigkeit, wodurch sie nur für niedrig belastete, hochdrehzahlende Motoren geeignet sind (z. B. Kleine Motorräder). Sie benötigen verstärkte Lagerflächen (oft Stahl-Einsätze), um Verschleiß zu widerstehen.

 

Design-Bewertungen: Engineering für Leistung

Das Anschlussstangen-Design ist eine Studie in Kompromissen: Balance von Stärke, Gewicht und Flexibilität, um dynamischen Belastungen ohne Ausfall zu widerstehen.

Geometrie: Eine typische Stange verfügt über einen langgestreckten „I-Strahl" oder „H-Strahl" - Querschnitt, der die Steifheit optimiert und gleichzeitig die Masse minimiert. Das "kleine Ende" (an den Kolben über eine Handgelenkstift verbunden) und das "große Ende" (an dem Kurbelwellejournal befestigt) sind präzise bearbeitet, um Lager - Bronzebuchungen für das kleine Ende, Split-Shell - Lagere (Stahl mit Babbitt oder PTFE-Lüter) für das große Ende zur Umgang mit der Rotationsbewegung zu unternehmen.

Verteilung von Stress: Die Finite Element-Analyse (FEA) simuliert zyklische Belastung, um Spannungskonzentrationen zu identifizieren - am kritischsten am "Hals" der Stange (wo der Balken zum großen Ende übergeht) und Schraublöcher. Ingenieure verstärken diese Bereiche mit Fillets oder dickeren Querschnitten, um Ermüdungsrissen zu verhindern, eine Hauptursache für Stangenversagen.

Dynamisches Gleichgewicht: Bei Hochdrehungsmotoren kann eine ungleichmäßige Massenverteilung in der Stange harmonische Vibrationen verursachen, die zu Kurbelwellenverschleiß führen. Präzisionsbearbeitung (Toleranz ± 0,05 mm) und Gewichtsanpassung (innerhalb von 1 - 2 Gramm pro Satz) sorgen für ausgewogene Bewegung.

 

Integration mit Motorsystemen

Die Verbindungstange arbeitet nicht isoliert; ihre Leistung hängt von der Synergie mit benachbarten Komponenten ab:

Kolben-Schnittstelle: Die Handgelenkstift (Kurgeon-Stift) verbindet das kleine Ende der Stange mit dem Kolben und ermöglicht eine leichte Winkelbewegung, wenn die Stange artikuliert wird. Die Freistellungen sind hier kritisch - zu eng, und Bindungen treten auf; zu locker, und Lärm oder Verschleiß erhöht sich.

Kurbelwelleinteraktion: Das große Endlager muss die Ölfilmintegrität unter hohem Druck (bis zu 10 MPa) aufrechterhalten, um Metall-zu - Metall-Kontakt zu verhindern.Ölrillen in den Lagerschalen verteilen das Schmiermittel, kühlen die Stange und reduzieren die Reibung.

Verbrennungsdynamik: Die Stangen müssen den Spitzenzylinderdruck während der Detonation (abnormale Verbrennung) standhalten, der vorübergehend die Konstruktionsgrenzen überschreiten kann. Aus diesem Grund verwenden Performance-Motoren häufig "geschmiedete" Stangen (vs. Guss) für eine feinste Kornstruktur und höhere Stoßfestigkeit.